物聯網遠程電梯監控系統關鍵技術研究與實現

摘要：為提高電梯管理水平，有效避免電梯安全事故的發生，設計和開發物聯網（lOT）遠程電梯監控系統。該系統將電梯工作現場采集的電梯運行狀態信息封裝成數據包，通過中繼器上傳到數據中心進行處理，利用富客戶端技術（Silverlight）實現監控客戶端瀏覽器與服務器的雙向交互。提出物聯網遠程電梯監控系統的拓撲結構，研究物聯網電梯監控系統中客戶端瀏覽器和服務器信息交互、數據中心管理以及終端硬件設計等關鍵技術及其實現。實踐證明：系統能夠實現對電梯進行全面智能化監控和管理，具有良好的應用前景和實用價值。

關鍵詞：Silverlight；技術；電梯；遠程監控系統；物聯網；兀線通信

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0101-04

引 言

隨著我國城市化進程的發展，高層建筑逐漸增多。作為高層建筑中必不可少的組成部分，電梯成了與人們生活密切相關的垂直交通工具。電梯的使用和管理直接關系到人民的生命財產安全，對電梯的安裝和使用進行規范化、集中化的科學管理迫在眉睫。為了提高電梯維護水平，提升企業競爭力，許多電梯生產企業利用計算機和網絡技術建立了遠程電梯監控系統（remote elevator momtor system，REMS）。REMS是將一定區域內（如一個城市）的電梯通過通信網絡與數據中心相連接，實現電梯信息的實時采集、存儲、分析和反饋的一種電梯管理技術，其目的是通過對分散的電梯實現集中管理，緩解電梯維護不便，處理故障滯后等問題，有效減少電梯安全事故的發生。

作為電梯安全領域的前沿技術，電梯遠程監控系統的研究在國外十分活躍。日本三菱公司在20世紀90年代就開發了遠程電梯監控系統，之后各大電梯廠商均推出了自己的電梯遠程監控系統，如美國奧迪斯公司的REMS、日本三菱公司的AI-220電梯群控系統等。這些電梯監控系統雖然能夠滿足電梯監控功能的需求，但大多采用C/S架構，以因特網、現場總線或者公共電話網絡作為系統遠程數據傳輸的媒介，部署和維護的成本較高，系統的開放性普遍較低，一般只監控本公司生產的電梯，不能兼容其他電梯公司生產的電梯。針對目前電梯遠程監控系統存在的問題，結合物聯網技術，本文設計和開發了物聯網遠程電梯監控系統，實現對電梯進行全面智能化的監控和管理。

1.物聯網遠程電梯監控系統拓撲結構

物聯網電梯監控系統是利用安裝在電梯轎廂中的各種傳感器來收集電梯運行、維護和檢修的各種信息，通過無線3G網絡和互聯網與數據中心進行雙向通信的電梯綜合信息管理系統。整個系統由數據采集層、數據傳輸層、數據中心和客戶監控終端等4部分組成，如圖l所示。

在電梯轎廂頂部安裝的各種傳感器即時采集電梯運行和維護數據，并按照約定的協議格式封裝成數據包，通過電梯內的無線通信單元將數據包發送到遠程數據中心。數據中心按照協議格式將接收的信息解析為系統需要的數據，存入對應的內存數據庫或永久數據庫，并通過數據發布系統為監控客戶端提供電梯信息服務。用戶通過客戶端瀏覽器登錄系統，根據自己的權限可完成電梯實時信息或歷史信息查詢，實現電梯運行狀態實時監控、電梯故障報警和電梯維護信息管理等功能。用戶也可以通過瀏覽器向遠程數據終端發送控制命令，對監控設備和電梯的行為進行控制，如鎖梯、關門等。

2.物聯網遠程電梯監控系統的關鍵技術

2.1 客戶端瀏覽器與服務器的信息交互

在遠程電梯監控系統中，信息需要在電梯數據采集設備和用戶客戶端瀏覽器之間進行交互。用戶需要分析現場電梯數據采集設備收集的實時數據，同時也要把控制命令傳送到監控終端，從而控制電梯的某些行為。在傳統的基于Web的遠程監控系統中，用戶和現場監控層之間的數據交換通常以數據庫為中心，數據庫服務器是信息交換的中轉站。用戶需要下達命令時，首先將命令寫入數據庫，監控現場的主機按一定的時間間隔查詢數據庫，獲取相應的指令并立即進行處理。現場監控設備將采集的信息上傳到數據庫服務器，用戶應用程序通過Web服務器訪問數據庫來獲取相應的數據.以文字、圖表的形式直觀地表現出來。這種信息交換方式具有良好的開放性，但是系統的實時性不高，可能會出現信息延遲，從而造成一些不必要的損失。本文采用SilverlightSocket技術解決了電梯監控系統中客戶端瀏覽器與服務器之間的信息交換，提高了系統的交互能力和實時性。

Silverligh是微軟設計、開發和發布的具有多媒體體驗的富互聯網應用程序（rich internet application，RIA）的網絡交互程序。它整合了一系列工具、技術和服務，是一個跨瀏覽器、跨平臺的.NET Framework實現，統一了服務器、Web和桌面的功能，是提升互聯網用戶體驗的一項Web技術。自Silverlight4出現以后，Silverlight開始支持Socket通信，較好地解決了基于Weh的程序交互性和及時性問題。在Silverlight中使用Socket可以在Web上以連線方式實現服務器與客戶端的交互，而且服務器是獨立出來的，不依賴IIS進程，從而使數據交互更加自由。由于Silverlighl的程序在Web上運行，自然就會有一些安全限制。每一個請求到服務器端的新Socket會話，Silverlighl會用另外一個Socket去請求策略文件。在請求策略文件時，Silverlight會自己發送字符串到服務器的943端口，服務器接收到該請求后，發送一個策略文件的字符串給客戶端。客戶端接收到策略文件后再發送數據請求。因此，在服務器端需要創建兩個Socket端口：一個是943端口用于策略請求，另一個在4502-4534范圍內的端口用于數據交換。整個數據通信流程如圖2所示。

2.2 數據中心設計與管理

在物聯網遠程電梯監控系統中，為了及時處理大量分散的數據，建立數據中心來進行數據集中管理。數據中心的主要任務是接收監控現場上傳的數據，支持授權客戶對相關數據進行訪問和查詢，提供數據存儲、處理和消息轉發服務。數據中心由通信服務器、數據庫服務器和Web服務器組成。通信服務器負責接收電梯監控設備發送的消息，并按照約定的協議解析后存人數據庫。數據庫服務器是整個系統的數據樞紐，保存系統中各種數據。Web服務器從數據庫中提取數據，按照一定的格式發送到客戶端。這3個服務器可以在一臺具有固定IP接入Inlernet網絡的計算機上，也可分別在不同的計算機上，如圖3所示。

1）通信服務器模型。通信服務器是物聯網遠程電梯監控系統的核心部件，負責監控數據的處理以及客戶端、監控現場之間的通信。由于數據量比較大，對服務器的并發性、穩定性和通信的準確性要求較高。目前，在各種高性能服務器中，I/O完成端口（I/Ocompletion pon，IOCP）模型被廣泛地使用來處理大規模的并發數據。在物聯網遠程電梯系統中，通信服務器采用.NET的異步Socket類SockecAsync，Even-tArgs對象來保持10操作的上下文，有效降低了對象分配和垃圾回收工作以及I/O阻塞。SocketA -syncEvencArgs類封裝了底層的IOCP的使用，可以避免在異步套接字I/O量非常大時發生重復的對象分配和同步。

2）數據的解析和存儲。在物聯網遠程電梯監控系統中，定義了基于TCP/IP的通信協議來統一處理分散的異構數據。當服務器收到消息后，通常按照以下步驟處理：

①粘包和拆包處理。服務器首先利用預定的正則表達式掃描接收的消息。如果消息是由多個數據包組成，則按照協議進行拆包處理，如果消息不是一個完整的數據包，則緩沖起來，等待下一個消息，從而保證信息的完整性。

②消息的解析和處理。對拆包后的單個數據包進行解析和驗證，如果消息正確，按照消息的類型分別存入相應的數據表或內存數據庫。

3）實時數據的處理和優化。根據數據的功用意義，物聯網遠程電梯監控系統中的數據可分為實時數據、歷史數據、統計數據、故障和維護記錄等日志數據。這些數據的采集頻率各不相同，實時數據每秒產生一次，歷史數據和統計數據庫的采集周期可能th或者更長時間，故障和維保數據在事件發生時產生。如何處理電梯監控系統中的”海量”數據，提高系統的效率和實時性，是電梯監控系統需要解決的關鍵問題。

根據電梯監控系統數據的特點，系統采用實時數據庫和關系數據庫相結合的分級存儲機制。在服務器內存中建立實時數據庫，臨時保存電梯監控設備上傳的數據，按照業務的需求對數據進行篩選，將有用的數據按照一定的時間間隔轉存到數據庫服務器磁盤上。對于實時性較強的數據，如客戶端瀏覽器發出的控制指令或電梯監控畫面等數據，可以繞過Web服務，直接在客戶端瀏覽器和數據源之間采用基于Silverlight Socket技術的通信方式。

2.3 遠程終端硬件設計

在物聯網電梯監控系統中，遠程終端硬件利用傳感器采集電梯運行參數，通過微處理器對采集數據進行處理，經過中繼器將數據轉發到數據中心，實現電梯運行情況的采集、傳輸和故障報警，是系統正常工作的基礎。遠程終端硬件主要由安裝在電梯工作現場的數據采集器組成，如圖4所示。

數據采集器提供相應物理層接口以便與電梯主控系統、安裝在電梯轎廂內的各種傳感器、視頻監控設備和維保人員簽到器相連，實時采集電梯運行狀態數據，分析電梯運行情況，判斷是否出現故障，并將采集的數據按照約定的格式封裝成數據包，通過中繼器將數據發送到數據中心的通信服務器，同時處理由中繼器轉發過來的數據中心數據，實現對電梯參數的控制。中繼器負責數據的轉發，實現數據采集器和數據中心的雙向交互；簽到器負責采集維保人員的簽到信息。

3.物聯網遠程電梯監控系統的實現

物聯網遠程電梯監控系統的軟件平臺采用C#語言和SQL Server 2008數據庫開發。終端硬件采用ARM微處理器和嵌入式實時Linux系統，其資源能夠滿足電梯故障參數、音頻和視頻信息以及各類傳感器信息的接入、處理和傳輸。

3.1 數據的接收

在物聯網遠程電梯監控系統中，采用.NETFramework 3.5的緩沖池和SocketAsyncEventArgs類來編寫異步通信軟件從Intemet上接收采集設備傳輸來的數據，其處理步驟如下：

1）初始化對象池，主要代碼如下：

∥創建SocketAsync，EventArgs對象

readWriteEventArg=new SocketAsyncEventArgs（）；

∥綁定SocketAsync，EventArgs對象完成事件

readWriteEventArgCompleted+=new EventHandler（IO_Compleled）；

readWriteEventArg.UserToken=new Objec，t（）；

∥預分配緩沖池給SocketAsyncEventArgs對象

m_buffe rManager.SetBuffer（readWrireEventArg）；

∥添加SocketAsyncEventArgs對象到對象池

m_readWritePool.Pu sh（readWrireEventArg）；

2）創建Socket，并與本地IPEndPoint綁定，開始監聽客戶端連接。

3）從對象池獲取SocketAsyncEventArgs對象，設置其屬性，調用相應的方法啟動異步通信操作。3.2數據解析和處理

在數據解析和處理模塊中，系統利用SocketA-syncEventArgs對象的BytesTransferred屬性獲取接收的字節流，并將該字節流轉化成字符串，利用正則表達式來判斷接收的信息是否是完成的信息。整個數據解析和處理的過程如圖5所示。

3.3 數據的存儲和訪問

在物聯網遠程電梯監控系統中，服務器軟件解析后的信息被分類存儲到數據庫中，以便高層應用程序訪問。在.NET應用程序中可以利用ADO.NET技術來實現數據庫操作。ADO.NET是微軟提供的面向對象的數據訪問架構，是一組用于和數據源進行交互的類庫，可以讓開發人員以一致的方式存取數據。ADO.NET中用于數據存取和管理的兩個主要組件是.NET Framework數據提供者和DataSec。.NETFramework數據提供者是一種用于管理和存取只讀數據的組件。DataSet是從數據源中檢索到的數據在內存中的緩存。

為了減少代碼冗余，提高系統效率，物聯網電梯監控系統將利用ADO.NET訪問數據庫的操作封裝成數據庫訪問。應用程序使用數據庫訪問類提供的各種方法來實現數據的訪問和管理。

3.4 電梯信息管理平臺的設計

電梯信息管理平臺是利用ASP.NET開發的運行在IIS服務器的Web應用程序。該平臺根據電梯生產廠家、物業公司、政府技術監督部門和維保單位的要求，設計不同的界面。授權用戶通過瀏覽器登陸系統后，可以實現電梯運行數據、故障數據和維保數據的統計、分析，變被動維護為主動維護，減少電梯發生事故的概率。

4.結束語

作為一種特殊設備，電梯的安全運行一直是電梯廠家、政府技術監督部門和電梯使用單位關注的重點。物聯網遠程電梯監控系統采用無線網絡和以太網相結合，使用傳感器來采集電梯運行數據，采用數據中心集中存儲和管理數據，提供統一的數據訪問平臺，授權用戶在任何時候任何地方使用任何一臺接入互聯網的計算機都可以對電梯進行管理，從而有效提高電梯管理水平，避免電梯重大事故的發生，具有一定的應用價值。